JPWO2013081021A1 - アルミニウム合金と銅合金との接合体及びその接合方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Cu:3.0%〜8.0%
アルミニウム合金のCuの含有量が3.0%未満の場合は、充分な液相のしみ出しが無く、接合が不完全となる。一方、Cuの含有量が8.0%を越えると、アルミニウム合金中のAl−Cu系化合物の量が多くなり、液相の生成量が多くなるため、加熱中の材料強度が極端に低下し、構造体の形状維持が困難となる。また、8.0%を越えると、圧延が困難となり材料を製造できないおそれがある。したがって、本発明におけるアルミニウム合金材中のCuの含有量は3.0〜8.0%とする。なお、しみ出す液相の量は板厚が厚く、加熱温度が高いほど多くなるが、加熱時に必要とする液相の量は構造体の形状に依存するので、必要に応じてCuの含有量や接合条件(温度、時間等)を調整することが望ましい。
アルミニウム合金のSiの含有量が0.1%未満の場合は、充分な液相のしみ出しが無く、接合が不完全となる。一方、Siの含有量が10.0%を越えると、アルミニウム合金材中のSi粒子が多くなり、液相の生成量が多くなるため、加熱中の材料強度が極端に低下し、構造体の形状維持が困難となる。また、10.0%を越えると、圧延が困難となり材料を製造できないおそれがある。したがって、本発明におけるアルミニウム合金中のSiの含有量は0.1%〜10%とする。なお、しみ出す液相の量は板厚が厚く、加熱温度が高いほど多くなるが、加熱時に必要とする液相の量は構造体の形状に依存するので、必要に応じてSiの含有量、接合条件(温度、時間等)を調整することが望ましい。
アルミニウム合金のCuの含有量が3.0%〜8.0%で、且つSiの含有量が0.1%〜10%であっても、Cu濃度をC(%)、Si濃度をS(%)としたとき、C+2.4×Sが7.8未満では液相が充分生成されず、液相の供給量が不充分となり、接合が不完全となる。したがって、本発明におけるアルミニウム合金中のC+2.4×Sは7.8以上とする。
Mgは合金の固相線温度を低下させることができ、より低温での確実な接合を可能にする。この効果はMg量0.05%未満ではほとんど得られない。また、2.0%を超えると圧延が困難となり材料を製造できないおそれがある。従って、Mgは0.05%〜2.0%添加するのが好ましい。より好ましいMg添加量は、0.1%〜1.0%である。
Znは合金の固相線温度を低下させることができ、より低温での確実な接合を可能にする。この効果はZn添加量0.05%未満ではほとんど得られない。また、6.0%を超えると圧延が困難となり材料を製造できないおそれがある。従って、Znは0.05%〜6.0%添加することが好ましい。より好ましいZn添加量は、0.5%〜2.0%である。
Niは合金の固相線温度を低下させることができ、より低温での確実な接合を可能にする。この効果はNi添加量0.05%未満ではほとんど得られない。また、2.0%を超えると材料製造中に金属間化合物が過大に生成し圧延が困難になるおそれがある。従って、Niは0.05%〜2.0%添加することが好ましい。より好ましい添加量は0.2%〜1.0%である。
Feは、固溶して強度を上げる効果があるのに加えて晶出物として分散して、特に高温での強度低下を防ぐ効果がある。Feの添加量は強度および製造の容易さの兼合いから、0.1%〜2.0%の範囲とすることが好ましい。
Mnは、SiとともにAl−Mn−Si系の金属間化合物を形成し、分散強化として作用し、或いはアルミニウム母相中に固溶して固溶強化により強度を向上させる効果がある。Mnの添加量は強度および製造の容易さの兼合いから、0.1%〜2.0%の範囲とすることが好ましい。
Ti、Vは固溶して強度向上させる他に、層状に分布して板厚方向の腐食の進展を防ぐ効果がある。Ti及びVの添加量は強度および製造の容易さの兼合いから、0.01%〜0.3%の範囲とすることが好ましい。
Crは、固溶強化により強度を向上させ、またAl−Cr系の金属間化合物が析出し、加熱後の結晶粒粗大化に作用する。Crの添加量は強度および製造の容易さの兼合いから、0.05%〜0.3%の範囲とすることが好ましい。
In、Snは、犠牲陽極作用を付加する効果がある。In及びSnの添加量は耐食性および製造の容易さの兼合いから、0.05%〜0.3%の範囲とすることが好ましい。
また、必要に応じてBe:0.0001%〜0.1%、Sr:0.0001%〜0.1%、Bi:0.0001%〜0.1%、Na:0.0001%〜0.1%、Ca:0.0001%〜0.05%の1種又は2種以上を添加しても良いが、これらの微量元素はSi粒子の微細分散、液相の流動性向上等によって接合性を改善することができる。なお、Be、Sr、Bi、Na、Caの1種又は2種以上が添加される場合には、耐食性および製造の容易さの兼合いから、各添加成分のいずれもが上記成分範囲内にあることが好ましい。
本発明に係るアルミニウム合金と銅合金とのしみ出し接合では、一方の被接合部材であるアルミニウム合金の全質量に対する当該アルミニウム合金内に生成する液相の質量の比(以下、「液相率」と記す)が5%以上35%以下となる温度で接合する必要がある。液相率が35%を超えると、生成する液相の量が多過ぎてアルミニウム合金が形状を維持できなくなり大きな変形をしてしまう。一方、液相率が5%未満では接合が困難となる。好ましい液相率は5〜30%であり、より好ましい液相率は10〜20%である。
rule)によって求めることができる。すでに状態図が明らかになっている合金系においては、その状態図を使い、てこの原理を用いて液相率を求めることができる。一方、平衡状態図が公表されていない合金系に関しては、平衡計算状態図ソフトを利用して液相率を求める。平衡計算状態図ソフトには、合金組成と温度を用いて、てこの原理で液相率を求める手法が組み込まれている。平衡計算状態図ソフトには、Thermo−Calc;Thermo−Calc Software AB社製などがある。平衡状態図が明らかになっている合金系においても、平衡計算状態図ソフトを用いて液相率を計算しても、平衡状態図からてこの原理を用いて液相率を求めた結果と同じ結果となるので、簡便化のために、平衡計算状態図ソフトを利用しても良い。
アルミニウム合金の表層には強固な酸化皮膜が形成されており、これによって接合が阻害される。従って、接合においては酸化皮膜を破壊する必要がある。そこで次に、酸化皮膜除去の具体的方法を説明する。尚、以下の説明ではアルミニウム合金の酸化皮膜の破壊について説明するものであるが、アルミニウム合金の酸化皮膜は極めて強固であり、アルミニウム合金に比べると銅合金は通常、酸化皮膜が生じても酸化皮膜が還元・破壊されやすい。よって、アルミニウム合金の酸化皮膜が破壊されれば、銅合金の酸化皮膜も同時に破壊され、接合が可能である。
この方法は、酸化皮膜を破壊する為に少なくとも接合部にフラックスを塗布するものである。フラックスはアルミニウム合金のろう付で用いるKAlF4、K2AlF5、K2AlF5・H2O、K3AlF6、AlF3、KZnF3、K2SiF6等のフッ化物系フラックスや、Cs3AlF6、CsAlF4・2H2O、Cs2AlF5・H2O等のセシウム系フラックス、又はKClやNaCl、LiCl、ZnCl2等の塩化物系フラックスが用いられる。これらフラックスは、しみ出し接合において液相が溶融する前に又は接合温度に至る前に溶融し、酸化皮膜と反応して酸化皮膜を破壊する。
この方法は、アルミニウム合金のMg含有量が0.2%〜2.0%である材料を適用するものであり、この場合は接合部にフラックスを塗布しなくても、酸化被膜が破壊されて接合が可能になる。このとき、アルミニウム合金が溶融し液相が表層に出てくるときに、アルミニウム合金中より蒸発するMgのゲッター作用によって酸化皮膜が破壊される。アルミニウム合金材において、Mgが0.2%未満ではMgのゲッター作用が期待できない。2.0%を超えると、前述の通り圧延が困難になり、材料の製造が出来ない。
本発明に係るしみ出し接合法は、以上説明した基本的構成により、被接合部材の変形を最小限としつつ確実な接合を行うことができる。ここで、本発明においては、被接合部材の形状維持を考慮した接合条件として、接合時間、及び、両被接合部材に加わる応力、接合時の加熱温度を適宜に設定することで好ましい接合を得ることができる。
本発明において接合時間の意義は、液相を生じる一方の被接合部材であるアルミニウム合金における液相率が5%以上である時間である。そして、この接合時間は3600秒以内であるのが好ましい。3600秒以内とすると接合前からの形状変化が少ない接合体を得ることができ、さらに1800秒以内とすると、さらに形状変化の少ない精緻な接合体を得ることができる。
また接合時間は30秒以上であることが好ましい。30秒以上であれば確実に接合された接合体を得ることができ、さらに60秒であればより確実に接合された接合体を得ることができる。
本発明の接合においては、接合部で両被接合部材が接していれば接合面に圧力を加える必要は必ずしもない。但し、実際の製品の製造過程では、被接合部材同士を固定したりクリアランスを縮めたりする為に、冶具等で両被接合部材に応力が加わる場合が多い。また、自重によっても被接合部材内に応力が発生する。
本発明の接合においては、接合時の加熱温度が548℃以上では、アルミニウム合金と銅合金の共晶反応により、被接合部材が変形する可能性があるため、アルミニウム合金と銅合金の接合時の加熱温度は548℃未満とすることが好ましい。
表1に、一方の被接合材として用いたアルミニウム合金材の組成を示す。表1に示す合金鋳塊を調製した後、熱間圧延及び冷間圧延により厚さ2mmの圧延板を得た。この圧延板をレベラーに掛けた後に380℃で2時間焼鈍して、圧延板試料とした。
接合率は次のようにして求めた。超音波探傷装置を用い、接合部での接合がなされている部分の長さを測定した。逆T字試験片の接合部の全長を50mmとして、{接合部での接合がなされている部分の長さ(mm)/50(mm)}×100によって接合率(%)を算出した。接合率が、95%以上を◎とし、90%以上95%未満を○とし、25%以上90%未満を△とし、25%未満を×として判定した。
表1に示した組成の上記圧延板試料から幅10mm×長さ30mmの板を切り出して、変形率測定用の試験片とした。図5(a)に示すように、この試験片を突き出し長さ20mmをもってサグ試験用冶具に取り付けてセットした(図には、3枚の試験片がセットされている)。サグ試験のような片持ち梁の形状での最大応力P(N/m2)は、曲げモーメントMと断面係数Zより、以下のように求めた。
=((g×ρ×I×b×h/I)×I2/2)/(bh2/6)
=3×g×ρ×I2/h
M:曲げモーメント(N・m)
等分布荷重の片持ち梁の場合W×I2/2
Z:断面係数(m3)
断面形状が長方形の場合bh2/6
W:等分布荷重(N/m)
g:重力加速度(m/s2)
ρ:アルミニウムの密度(kg/m3)
I:突き出し長さ(m)
b:板幅(m)
h:板厚(m)
以上の結果より、各評価の判定に対して◎を5点、○を3点、△を0点、×を−5点として点数をつけ、合計点が10点を◎とし、6点以上9点以下を○とし、1点以上5点以下を△とし、0点以下を×として総合判定を行った。総合判定が◎、○、△を合格とし、×を不合格とした。接合率、変形率及び総合判定の結果を、接合条件(温度、平衡液相率の計算値)と共に表3に示す。
ここでは、サグ試験を行い、加熱中に被接合部材が耐えられる応力Pを評価した。この評価は、第1実施形態での評価において、総合評価が合格となる条件(合金、加熱条件)を選んで、アルミニウム合金の変形率の評価のみを更に詳細に行なったものである。試験片には、表1のアルミニウム合金を選んで用いた。試験片は、板厚1mm、幅15mm、長さ60mmとした。この試験片について突き出し長さを20〜50mmに変化させて、図5(a)に示すサグ試験用冶具に取り付けてセットした。
Claims (6)
- アルミニウム合金を一方の被接合部材とし、銅合金を他方の被接合部材として、前記一方の被接合部材と他方の被接合部材が金属的に接合された接合体であって、前記一方の被接合部材はCu:3.0mass%〜8.0mass%及びSi:0.1mass%〜10mass%を含有し、残部Al及び不可避不純物からなるアルミニウム合金からなり、Cu濃度をC(mass%)、Si濃度をS(mass%)としたとき、C+2.4×S≧7.8を満たし、前記他方の被接合部材は前記一方の被接合部材よりも固相線温度が高い銅合金であることを特徴とするアルミニウム合金と銅合金とからなる接合体。
- 前記一方の被接合部材が、Mg:0.05mass%〜2.0mass%、Ni:0.05mass%〜2.0mass%及びZn:0.05mass%〜6.0mass%のうち1種または2種以上を更に含有するアルミニウム合金からなる、請求項1に記載のアルミニウム合金と銅合金とからなる接合体。
- 請求項1または2に記載のアルミニウム合金と銅合金とからなる接合体の接合方法であって、前記一方の被接合部材であるアルミニウム合金はMg:0.5mass%以下に規制されており、前記一方の被接合部材であるアルミニウム合金の全質量に対する当該アルミニウム合金内に生成する液相の質量の比が5%以上35%以下となる温度において、フラックスが接合部材間に塗布された状態で非酸化性雰囲気中で接合することを特徴とするアルミニウム合金と銅合金との接合方法。
- 請求項1または2に記載のアルミニウム合金と銅合金とからなる接合体の接合方法であって、前記一方の被接合部材であるアルミニウム合金はMg:0.2mass%〜2.0mass%を含有し、前記一方の被接合部材であるアルミニウム合金の全質量に対する当該アルミニウム合金内に生成する液相の質量の比が5%以上35%以下となる温度において、真空中又は非酸化性雰囲気中で接合することを特徴とするアルミニウム合金と銅合金との接合方法。
- 一方の被接合部材であるアルミニウム合金において、アルミニウム合金の全質量に対する当該アルミニウム合金内に生成する液相の質量の比が5%以上である時間が、30秒以上3600秒以内である、請求項3または4に記載のアルミニウム合金と銅合金との接合方法。
- 一方の被接合部材であるアルミニウム合金に発生する最大応力をP(kPa)とし、前記アルミニウム合金の全質量に対する当該アルミニウム合金内に生成する液相の質量の比をV(%)としたときに、P≦460−12Vを満たす条件で接合する、請求項3乃至5のいずれか一項に記載のアルミニウム合金と銅合金との接合方法。
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